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Q3D仿真验证L、G分布参数差距巨大

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发表于 2015-11-11 16:57 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 tanghao113 于 2015-11-11 17:14 编辑 . s# q/ I9 z, Z1 c; x2 Y  C$ P4 ]

9 `9 b  X3 c# u8 u近日开始使用Q3D软件。为了验证自己是否操作正确,故特意仿了一段微带线,但是发现其单位电导,单位电感有点差距。5 }* P) [2 R5 z9 w3 n
. H8 J4 x" @5 i2 J8 l' Q
叠层设置如下
5 K- G9 d8 N  r QQ截图20151111171612.png 7 y/ y/ c$ `5 j! L8 i& m

: a( ?! _# J) @& }! E1、SI9000算得在100MHz情况下计算RLGC模型的各参数:, H+ }  k1 k% l+ v& K: R2 R2 Q( r
QQ截图20151111165006.png   [$ I- b" O5 \

0 _) C2 V( j% r# C* p+ W) c& \即SI9000计算的值如下(每inch):+ F- T& S1 C% |1 r
R= 0.363Ω   L=7.94nH  G=3.46*10^-5  C=3.03pF
  U! I* m( R7 n& c$ n9 d$ Z" z* {' W" p) _* N) ^: ?
2 i- x3 J! r8 {. Y. E
2、Q3D依据同样的叠层建模,走线长度为100mil,在走线的两端分别添加Source和Sink,参考平面设置为地网络# T- f/ D" q" N( Y! z/ o$ y* U
QQ截图20151111165406.png QQ截图20151111165459.png   l% j" c, {' H9 o7 L) p

) U1 Y+ T8 ]; F; I* l6 X' K求解设置(比较高的精度要求):
5 W( u: \7 q* T2 i/ ^ QQ截图20151111165548.png 收敛:% H8 h, Y& t/ G) d9 t( N
QQ截图20151111171339.png
- {0 _) C" u/ X
* X. \5 W/ W5 W4 H求解的RLGC值:( G7 P2 X5 S) h7 v) b
QQ截图20151111165804.png QQ截图20151111165819.png
! \* S, X2 E- Z; ]5 J即Q3D计算的值如下(按每inch换算):
( w- \7 x1 b2 e" WR= 0.30384Ω   L=15.222nH  G=0.032678  C=3.1485pF/ W1 p  S! [# @: R4 O7 a. n+ Q) C5 @

7 X; i; V& _; h! l把SI9000计算的值再次罗列如下(每inch):
% |2 v/ B  w# h0 w: w4 u1 C) `) xR= 0.363Ω   L=7.94nH  G=3.46*10^-5  C=3.03pF) I) }( n8 T1 y  n: a0 |
6 m% `5 o8 m+ W, i# w; L
可以看到L和G差距非常大,想问一下具体是什么原因导致了这么大的差距?是Q3D软件的使用方法问题么?Q3D的模型如附件,软件版本为2014。 Project7.zip (22.29 KB, 下载次数: 14)

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发表于 2015-11-13 13:36 | 显示全部楼层
tanghao113 发表于 2015-11-12 17:36
$ }/ u+ i' E. O之所以验证传输线是因为这是手头上能够对比的最好模型,以便验证自己对Q3D软件的使用理解是否正确。
. K- Q) _- ]/ I, Z2 T' ?! }! l' \* O4 D. _) s/ t1 J" [* s
...

( ^) ~# R# i5 D4 p& ?选择同向的原因是因为Q3D是电流源激励。
# _6 Y( U8 {8 w) [) f) z0 Y对于交流:% ]; ~. `( p3 s6 [! Q& r
而测试点在source端,你如果加反向source,那么获得的互感就不是微带线正馈和负馈构成的端口上的互感了。7 l$ f4 `) h3 v2 U8 z- }
正确的算self inductance的方式应该是地平面加infinite GND boundary,因为真的参考面只有与正馈相邻的面,参考层的地厚度对微带线几乎无影响。3 w6 m/ D, S4 K: w; G9 E
你如果一定要用singal的方式,那么就要以同样的馈电位置形成端口,然后reduce return或者reduce ground去除到地的互感影响,否则就不是正确微带线的模型。- ?: Z6 m5 I  w4 H; Z$ I2 j# D

* Y' Q) b( u8 ]' l% E1 KL matrix是有self和mutual部分的
' R0 g) o, [, n- n7 L环路中的loop inductance和self inductance只有在构成信号环路且返回路径为电边界的情况下才相等,因为此时的mutual为0,self就是loop。若不是电边界,视作信号线的话,那么其就存在mutual,self就是parital。partial inductance是存在于两个导体构成的AC环路中的其中一个导体的本身电感。
+ ?1 S2 e) D6 }& c9 Z你原始工程文件的GND NET方式是没有GND测试点的,所以测出来的就是signal的loop inductance,只不过其AC环路没有包括地而是到无穷远处的电边界,而GND NET只是其中一个静态线,但是其算出来的self inductance是不是等于和地构成的环路的partial inductance,答案是否,你可以删掉GND的copper,你会发现结果和有这个inductance会略增大,但是差异不大,很显然就是去掉了signal到GND net部分的mutual inductance影响。所以你算出来的这个self inductance值,到底是个什么东西,取决于你的激励和边界是不是和真实的信号传输线结构相同。
% F; S% d& a/ V& y5 J5 h4 h0 Q# @' w( s' Y, O7 K  ^
7 I$ h; U1 S8 v( L

# q9 x# j' N/ f* @3 b, _3 z# P  T

点评

[ self就是parital。partial inductance是存在于两个导体构成的AC环路中的其中一个导体的本身电感 ] 你確定 self 就是 partial 嗎? Q3D 可以解任何一段導體 (包含人們認知的 signal net 或 ground net ) 的局  详情 回复 发表于 2015-11-13 23:27
谢谢版主,我先细细消化一下。  详情 回复 发表于 2015-11-13 16:30
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发表于 2015-11-12 10:09 | 显示全部楼层
这就涉及到一个partial inductance 和 total inductance的概念了。, o( F8 f* U) G" f7 x' F/ z% P. {
可以肯定的告诉你Q3D和SI9000的结果是一致的,差距估计也就在5%左右。( p, R2 Z6 K0 k" M8 c; D+ x
至于G,mS和S的单位差你难道没发现么?' d! C3 r2 Q9 R- i$ T' L

  T9 p3 S8 Z8 j/ w/ [* Q

点评

多谢版主!还是版主强大。 G是我看错单位了,一急就犯晕了。。。见笑了。 按您这么说Q3D软件算出来的都是局部自感,要自己去通过公式换算成回路电感? Lloop = Lself-signal + Lself-return - 2*Lmutual  详情 回复 发表于 2015-11-12 15:02
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发表于 2015-11-12 16:03 | 显示全部楼层
<< 而Q3D里算的是source到sink构成的环路的inductance >> , 此言差矣,單 source到sink 為局部電感,Reduce Return Path 才成 loop inductance.& F, ^$ r5 n( b9 t! W
( o0 a) M0 H) W! c- T: s6 ^
均勻傳輸線特性阻抗要與 Polar 比較,請用 Q3D 的 "2D Extractor " 求解。

点评

之所以验证传输线是因为这是手头上能够对比的最好模型,以便验证自己对Q3D软件的使用理解是否正确。 果然是的,用Reduce Return Path后与SI9000比较符合。且Reduce Matrix可按Original Martrix通过以下公式计算得  详情 回复 发表于 2015-11-12 17:36
事实上,楼主的模型本就没选GND作为signal,而是直接用的ground net。 算出来的matrix本就是包含了signal self+GND,没有signal net给你reduce。 那么我所说的source到sink的环路是loop inductance是不是成立呢?:  详情 回复 发表于 2015-11-12 17:10

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 楼主| 发表于 2015-11-12 15:02 | 显示全部楼层
cousins 发表于 2015-11-12 10:09
" t7 O4 }; x2 S! J  Y* O这就涉及到一个partial inductance 和 total inductance的概念了。
* s) b$ F$ Q' A2 `1 X8 f可以肯定的告诉你Q3D和SI9000的结果是 ...
" m+ w8 o' A& ?1 g: b1 Z
多谢版主!还是版主强大。G是我看错单位了,一急就犯晕了。。。见笑了。* U; S9 \  D% j5 O+ Y" Q
1 J9 F. O) V* f4 G% [0 w6 n
按您这么说Q3D软件算出来的都是局部自感,要自己去通过公式换算成回路电感?
- v; H9 b& i. H* j% A* D+ |" lLloop = Lself-signal + Lself-return - 2*Lmutual% b* O9 D, j7 O/ l* z( x

9 U: g9 E0 K' Y, g$ r; F* b% e上文我把参考平面Assign成Ground网络了,这样Matrix结果里面就没有两导体的互感。其实我把参考平面Assign成Ground网络就是想让信号线参考它呀,不然这个Ground网络的意义为何?
5 q, d2 z* s% }; j: A3 e5 L+ `9 i6 \, m1 r* `
那我想算Lloop具体应该怎么做呢?地平面也要设置成Signal网络,再加Sink和Source得到互感后手工计算?
5 f) G0 a8 l6 I9 [& Y- K
! {/ X* G. C% `, K还有对Reduce Matrix里面也有Ground Net和Return Path,对其用法不是很了解。版主能否详细介绍下呢?非常感谢?4 S/ k& V' a8 E# F' H1 R

点评

事实上,Q3D算的就是loop inductance。 SI9000算的才是self inductance。 RLGC构成的电路L11,而Q3D里算的是source到sink构成的环路的inductance。  详情 回复 发表于 2015-11-12 15:36

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发表于 2015-11-12 15:36 | 显示全部楼层
tanghao113 发表于 2015-11-12 15:02
0 Q+ e' |( Z5 K多谢版主!还是版主强大。G是我看错单位了,一急就犯晕了。。。见笑了。
. M9 b9 s, N# J2 ~7 z* R$ a
4 B4 u( F6 D" v按您这么说Q3D软件算出来的都 ...

% E3 q! a8 k$ ]7 K事实上,Q3D算的就是loop inductance。
0 h+ w7 v3 d" ISI9000算的才是self inductance。! \/ B' l9 n& @8 n/ g' f
RLGC构成的电路L11,而Q3D里算的是source到sink构成的环路的inductance。
* Z3 j+ f8 d- f9 j( @

点评

请教版主一个问题么?我在SIWAVE设置好PCB的相关叠层参数,导出到Q3D的时候PCB介质显示一整块的,不是我想要的结果,这种情况该怎么办呢?  详情 回复 发表于 2017-3-6 20:22
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发表于 2015-11-12 17:10 | 显示全部楼层
Head4psi 发表于 2015-11-12 16:03, c/ B+ T# @$ d* M5 b1 f
> , 此言差矣,單 source到sink 為局部電感,Reduce Return Path 才成 loop inductance.
1 f( \3 v- D% |( B4 p1 I
+ C" e5 J! p# \: M均勻傳輸線特性 ...
  j! a) p+ r, k! s
事实上,楼主的模型本就没选GND作为signal,而是直接用的ground net。
  x0 e$ K$ ^" \  M% r% j算出来的matrix本就是包含了signal self+GND,没有signal net给你reduce。. J- P) U1 a- o, g$ \
那么我所说的source到sink的环路是loop inductance是不是成立呢?& k, s2 P" K) i: T0 g8 o
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 楼主| 发表于 2015-11-12 17:36 | 显示全部楼层
本帖最后由 tanghao113 于 2015-11-12 17:41 编辑
; S# ^. R) D( l9 t7 X4 o: q
Head4psi 发表于 2015-11-12 16:03+ L3 v. q. [2 y& L- L/ C# B$ U, D
> , 此言差矣,單 source到sink 為局部電感,Reduce Return Path 才成 loop inductance.
, O& G3 J4 Q6 [  @; Z( G% Q$ ^" P% n9 L: Z$ S
均勻傳輸線特性 ...
* j8 i5 a; r) Y
之所以验证传输线是因为这是手头上能够对比的最好模型,以便验证自己对Q3D软件的使用理解是否正确。% O( P3 U- T9 `* Y% F, }
0 o) i2 q6 m# L$ ]8 i( j' B+ a
果然是的,信号与参考平面都Assign为Signal Net,用Reduce Return Path后与SI9000比较符合。且Reduce Matrix可按Original Martrix通过以下公式计算得到Lloop = Lself-signal + Lself-return - 2*Lmutual
6 @9 d2 ^) H& K9 b) p8 a$ O# T
% @4 F! h0 ?+ N其中设置为:信号与参考平面都Assign为Signal Net,都设置好Source和Sink,不过要使得电流方向方向要设成同向,若设成反向则超出很多。经分析与Lmutual的±号有关,不知为何要设置同向电流,比较难以理解,按理回流应该反向才对。  f3 X2 h) @1 I
3 ?7 C. B- Q9 I, l
同向时候(Original与Return Path矩阵):
. G: z: y) L' W7 c6 {1 u! Z5 ^ QQ截图20151112172425.png QQ截图20151112172216.png
  H' ?' K7 O4 L即Q3D计算的值为(按每inch换算) L=7.2938nH/ P+ E) V0 A' T) r

  H/ ^: A9 p: e反向(Original与Return Path矩阵):
( O1 I7 `$ `) b' j  \$ `3 D! Z 2.png 3.png
9 [% V: i1 D# r/ v即Q3D计算的值为(按每inch换算) L=48.918nH& }1 s' M  @& N' s

' @. a4 ^8 ^4 W" m. k: Z7 g
8 I4 T! \' Y* A9 D. A. m' D$ F4 x1 h; s2 u7 }: V- Y

. I" V4 k0 v0 A" k5 K% j6 @/ |3 n9 N1 g

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选择同向的原因是因为Q3D是电流源激励。 对于交流: 而测试点在source端,你如果加反向source,那么获得的互感就不是微带线正馈和负馈构成的端口上的互感了。 正确的算self inductance的方式应该是地平面加infini  详情 回复 发表于 2015-11-13 13:36

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 楼主| 发表于 2015-11-13 16:30 | 显示全部楼层
cousins 发表于 2015-11-13 13:363 R$ U& c+ O9 `
选择同向的原因是因为Q3D是电流源激励。
% g6 @5 T" x0 P0 O" C对于交流:0 e) w- u9 ?, e( S
而测试点在source端,你如果加反向source,那么获 ...
( K6 Y+ y) a3 n( }% P
谢谢版主,我先细细消化一下。
8 [+ k' o8 O  Z- f1 w: I, A9 j2 K

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发表于 2015-11-13 23:27 | 显示全部楼层
本帖最后由 Head4psi 于 2015-11-15 20:39 编辑
; {, u4 Y; e4 \/ u4 k3 [/ \% @
cousins 发表于 2015-11-13 13:36) D( u( B0 @& s+ ]$ Y3 z
选择同向的原因是因为Q3D是电流源激励。: ^* T8 O2 e) y
对于交流:
- ?- k' t, I4 l而测试点在source端,你如果加反向source,那么获 ...
, O( O5 S1 ?6 K* {# X8 p% m- ~. M4 l: e+ P
1 _9 }2 {/ j; F

' n' I, t& s! T! c/ V! |- N7 |; v6 k9 Q& d* c

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我都讲了self为partial有前提条件了,你不要不管我前面所陈述的条件,我说的是存在两个导体构成一个环路,有互感的前提下,自感为partial。 而且,你这样讲就和你之前所说Q3D算的是partial矛盾了,楼主最开始的模  详情 回复 发表于 2015-11-14 07:52

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发表于 2015-11-13 23:29 | 显示全部楼层
Q3D_Extra_PartialL.png
3 k  r; v) m, v6 M Partial_LoopL.png

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[attachimg]105481[/attachimg] 有关多根走线共用返回路径的环路电感的计算,我的理解如下(电流流向如上图所示): 环路1的环路电感为:(L11 + L12 + L13 - L1-return) + (Lreturn - L1-return - L2-r  详情 回复 发表于 2015-12-2 14:12

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发表于 2015-11-14 07:52 | 显示全部楼层
本帖最后由 cousins 于 2015-11-14 08:09 编辑
4 W/ i/ ^4 w5 {9 d
Head4psi 发表于 2015-11-13 23:27' ]  m# U1 _1 G( ?  q! R9 _) I3 D
[ self就是parital。partial inductance是存在于两个导体构成的AC环路中的其中一个导体的本身电感 ] % ~, b1 n4 y+ ?
...

9 [% P4 `  l/ p& X2 c1 G我都讲了self为partial有前提条件了,你不要不管我前面所陈述的条件,我说的是存在两个导体构成一个环路,有对静态地互感的前提下,自感为partial。3 p' z. R7 D" @9 k8 S5 @* O" B
而且,你这样讲就和你之前所说Q3D算的是partial矛盾了,楼主最开始的模型算的L11难道不是自感?你又不是很肯定的说是partial?
+ ^3 j3 X; V# v( z# b

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看晕了,这个reduce martix太烦人了,自己看得头都大了  详情 回复 发表于 2015-11-16 16:51
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 楼主| 发表于 2015-11-16 16:51 | 显示全部楼层
cousins 发表于 2015-11-14 07:52
- `0 U4 C, F( z! K% X. a我都讲了self为partial有前提条件了,你不要不管我前面所陈述的条件,我说的是存在两个导体构成一个环 ...
# g# Y9 o: ?" V! P& T8 {
看晕了,这个reduce martix太烦人了,自己看得头都大了
! W+ j1 J. E1 ~: |0 A, z% e

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 楼主| 发表于 2015-11-18 11:45 | 显示全部楼层
光是这个电感就够我回去在研究一遍电磁场了,先传个附件,学习学习

Archambeault3.pdf

580.95 KB, 下载次数: 23, 下载积分: 威望 -5

PP_PartialInductance.pdf

273.01 KB, 下载次数: 34, 下载积分: 威望 -5

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 楼主| 发表于 2015-11-19 17:44 | 显示全部楼层
       最近这几天有好好学习了一下Q3D的官方教程。了解到Q3D软件解出来的都是Partial inductance(局部电感),而Q2D或SI9000这些2D场解工具算出来的都是Loop inductance(回路电感)。如下图所示:
QQ截图20151119152302.png
4 H8 I# {) n& E3 b, Y! ~9 G/ B
       其中Patial inductance又含Partial self-inductance(局部自电感)和Partial mutual inductance(局部互电感),有关这两个概念可参见Eric Bogatin大师的书,上面写得很清楚。' m* s2 U3 q5 T
       为了实测(其实实测的就是Loop inductance,因为必须要形成环路才会有电流流过)能与Q3D的仿真数值能联系起来,必须使用Martix Reduction来获得Loop inductance。如下图所示。* s7 g6 L  O5 a& `2 z" c

0 b1 T: p/ l- i5 V
% K  S" ]1 H7 U5 y% G( a
QQ截图20151119153212.png

4 a0 @, v% v, V4 F" W
8 [8 _' s0 W% i% L
6 N( D& I8 j4 i8 A
       Q3D可以求解出Patial inductance(局部电感)LS1,LR1,LS1-R1,为了得到Loop inductance(回路电感),用Martix Reduction中的Return Path来求得。
/ c5 @3 i+ }- f6 d8 n, |# C$ w
QQ截图20151119153514.png
* V+ L% e& V5 _$ y; u
+ `0 @# l0 X8 Y9 S; M- [/ ?2 h6 M$ [
/ [1 m" I; K- P: x$ k
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